Загадка за горизонтом: могут ли черные дыры существовать без сингулярности?
Что, если черные дыры — на самом деле не такие уж и «черные»? Мы привыкли представлять их как бездонные провалы в ткани пространства-времени, надежно скрывающие за горизонтом событий свою тайну — точку бесконечной плотности (сингулярность), где законы физики перестают работать. Но что, если этой точки не существует? Современная физика все чаще задается этим вопросом, заглядывая за пределы классической теории Эйнштейна и обнаруживая, что определение черной дыры может быть не таким уж однозначным. Возможно, самые интригующие ответы скрываются не в общей теории относительности, а в ее переосмыслении, где сингулярности исчезают, а горизонты событий становятся проходимыми.
Прежде всего, важно различать два понятия: теоретические черные дыры, рожденные в уравнениях общей теории относительности (ОТО), и те, что мы наблюдаем в космосе. Теория предлагает нам элегантные метрики — решения уравнений Эйнштейна, такие как метрика Шварцшильда для простой невращающейся дыры или метрика Керра для вращающейся, которая стала научной основой для зрелищных сцен в «Интерстелларе».
С другой стороны, астрономические объекты вроде M87* или Стрельца А* в центре нашей Галактики, изученные Телескопом горизонта событий, демонстрируют структуру, поразительно точно соответствующую предсказаниям Керра. Однако ключевая проблема заключается в том, что ни одно наблюдение не позволяет нам заглянуть внутрь горизонта событий.
Мы не можем подтвердить существование сингулярности, а сам горизонт принципиально ненаблюдаем, так как он навеки захватывает любой свет, который его пересекает. Это оставляет теоретическое пространство для альтернативных моделей, которые, оставаясь в согласии с наблюдениями, могут кардинально менять наше представление о внутреннем устройстве этих объектов.
Классическая модель черной дыры, несмотря на свою красоту, порождает серьезные фундаментальные проблемы. Сингулярность — математическая точка с бесконечной плотностью — является признаком предела применимости ОТО, местом, где физика прекращает свое существование. Чтобы как-то обойти эту проблему, была предложена гипотеза космической цензуры, постулирующая, что все сингулярности скрыты от внешнего наблюдателя горизонтом событий. Но и горизонт создает свои трудности, главная из которых — информационный парадокс. Если информация о веществе, упавшем в черную дыру, безвозвратно теряется для Вселенной, это противоречит основам квантовой механики.
Логичным путем решения этих проблем кажется выход за рамки классической физики в область квантовой гравитации. Принцип неопределенности Гейзенберга ставит под сомнение саму возможность существования точечной сингулярности, а излучение Хокинга предлагает механизм, с помощью которого черная дыра может постепенно испаряться, возвращая информацию. Такие теории, как петлевая квантовая гравитация, предполагают формирование внутри горизонта не сингулярности, а так называемой «планковской звезды», а теория струн — «пушистого комка» из вырожденных струн. Однако прямых наблюдательных подтверждений этим идеям пока нет.
«Пушистый комок» (англ. fuzzball) — это радикальная и элегантная концепция в теории струн, которая предлагает полное решение проблем сингулярности и информационного парадокса черных дыр. Если коротко, она утверждает, что черных дыр в классическом понимании не существует вовсе.
Но что, если пойти другим путем — остаться в рамках проверенной ОТО, но просто запретить сингулярности? Оказывается, такое решение возможно, и оно известно как метрика Хейворда. Это минимальное несингулярное решение уравнений Эйнштейна для статической, сферически-симметричной черной дыры. По своей сути, черная дыра Хейворда — это черная дыра Шварцшильда, лишенная своей главной проблемы. В ее центре нет сингулярности; вместо бесконечного искривления пространство становится локально плоским, подобно пустоте глубокого космоса.
Что еще более удивительно, у такой дыры нет и истинного горизонта событий в классическом понимании. Его заменяет «кажущийся горизонт», который действует как мощная, но не абсолютная ловушка. Вещество и энергия не захватываются навечно, а могут очень медленно, в течение колоссальных периодов времени, покидать его. Этот процесс напоминает излучение Хокинга, но достигается без привлечения квантовой механики, исключительно средствами классической физики.
Для внешнего наблюдателя сверхмассивная черная дыра Хейворда была бы практически неотличима от своей шварцшильдовской сестры. Все современные данные, собранные телескопами, одинаково хорошо согласуются с обеими моделями. Единственным, но существенным камнем преткновения остается вопрос о физическом механизме, который предотвращал бы коллапс в сингулярность в реальном мире.
Модель Хейворда просто постулирует этот запрет. И все же, если эта модель верна, то многие из самых острых парадоксов, десятилетиями будоражащих умы физиков, могут оказаться надуманными, порожденными не ограничениями природы, а ограниченностью наших первоначальных теоретических конструкций.